La signalisation cellulaire regroupe l'ensemble des mécanismes biologiques permettant à une cellule de répondre de façon adaptée à son microenvironnement. Pour ce faire, de nombreuses réactions biologiques entrent en jeux avec un important enchevêtrement, créant ainsi un réseau dont le comportement s'apparente à un système complexe. Le compréhension de la réponse cellulaire à une stimulation passe par le développement conjoint des techniques d'acquisition de données, et des méthodes permettant de formaliser ces données dans un modèle. C'est sur ce dernier point que s'inscrivent les travaux exposés dans cette thèse. Nous présentons ici deux approches visant à répondre à des questions de natures différentes sur la signalisation cellulaire. Dans la première nous utilisons un modèle différentiel pour étudier le rôle d'un nouvel interactant dans la voie canonique du TGF-beta. Dans la seconde nous avons exploré la combinatoire de la signalisation cellulaire en développant un formalisme discret basé sur les transitions gardées. Cette approche regroupe l'interprétation de la base de données Pathway Interaction Database dans un unique modèle dynamique de propagation du signal. Des méthodes de simulations et d'analyses inspirées des techniques de vérification de modèles telles que l'atteignabilité et l'invariance ont été développées. En outre, nous avons étudié la régulation du cycle cellulaire en réponse à la signalisation, ainsi que la régulation des gènes de notre modèle en comparaison avec des données d'expressions.

Introduction: Durant la pathogenèse d’ostéoarthrose (OA), les cytokines pro-inflammatoires IL-1β (Interleukin-1 beta) et TNF-α (Tumor necrosis factor alpha) stimulent la dégradation des agrécanes par l’aggrécanase-1 ou ADAMTS-4 (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif). Ces cytokines peuvent stimuler plusieurs voies de signalisation conduisant ainsi à l’augmentation de l’expression des ADAMTS dans les chondrocytes humains. Les TIMPs (tissue inhibitor of metalloproteinases) présentent des inhibiteurs endogènes de l’ADAMTS. Nous avons démontré que la Rapamycine (un immunosuppresseur et un inhibiteur du mamalian target of Rapamycin (mTOR)) peut avoir des effets bénéfiques dans cette pathologie. Notre étude examine l’effet de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines, son implication dans certaines voies de signalisation, et son effet sur l’expression du TIMP-3. Méthodes: Des chondrocytes normaux sont traités avec la Rapamycine seule ou stimulés aussi avec l’IL-1β et le TNF-α. Les effets de la Rapamycine sur l’expression de l’ADAMTS-4 et du TIMP-3 ont été étudiés par l’analyse RT-PCR et l’activité enzymatique a été étudiée par la technique d’ELISA. Les effets de la Rapamycine sur certaines voies de signalisation ont été étudiés par le Western blot. Résultats: Nous avons trouvé que la Rapamycine inhibe l’expression de l’ARNm de l’ADAMTS-4 induit par les cytokines pro-inflammatoires dans les chondrocytes humains. L’activité enzymatique de l’ADAMTS-4 induit par l’IL-1β a été légèrement diminuée par la Rapamycine. En plus, cette dernière a montré de différents effets sur plusieurs voies de signalisation stimulées par l’IL-1β et le TNF-α telles que les voies des MAPKs (Mitogen activated protein kinase), de l’AKT, et de la p70 S6 kinase. La Rapamycine a inhibé partiellement l’activation de la phosphorylation de l’ERK1/2 MAPK (extracellular signal-regulated protein kinase MAPK) en présence du TNF-α seulement. En outre, la Rapamycine a inhibé la phosphorylation des protéines p38 MAPK, JNK (c-Jun N-terminal kinase), et AKT activée par l’IL-1β seulement. En plus, la phosphorylation de la protéine p70 S6K stimulée par l’IL-1β et le TNF-α a été inhibée par la Rapamycine. D’autre part, nous avons démontré que le niveau du TIMP-3 a été augmenté en présence de la Rapamycine. Conclusion: Ces résultats suggèrent que la Rapamycine peut bloquer l’action de l’ADAMTS-4 via l’inhibition de l’activation des MAPKs, de l’AKT, et de la p70 S6K. La Rapamycine pourrait ainsi être considérée pour la prévention de la perte du cartilage chez les patients ostéoarthritiques. / Introduction: During the pathogenesis of osteoarthritis, the pro-inflammatory cytokines IL-1β (Interleukin-1 beta) and TNF-α (Tumor necrosis factor alpha) stimulate the degradation of aggrecans by aggrecanase-1 or ADAMTS-4 (A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif). These cytokines may stimulate several signaling pathways leading to an increased expression of ADAMTS-4 in human chondrocytes. The TIMPs (tissue inhibitor of metalloproteinases) are endogens inhibitors of ADAMTS-4. It has been shown that Rapamycin (an immunosuppressor and an inhibitor of the mammalian target of rapamycin or mTOR) may have beneficial effects in this pathology. Our study investigates the impact of Rapamycin on cytokine-induced expression of ADAMTS-4, his implication in certain signaling pathways, and his effects on the expression of TIMP-3. Methods: Human chondrocytes were pretreated with different doses of Rapamycin either alone or stimulated with IL-β and TNF-α. The effect on ADAMTS-4 expression was examined by RT-PCR analysis and enzyme activity by ELISA. Impact of Rapamycin on the activation of different signaling pathways was measured by Western blot analysis. Results: We have shown that Rapamycin down-regulated pro-inflammatory cytokines-induced ADAMTS-4 mRNA expression in human chondrocytes. The IL-1β-induced-enzymatic activity of ADAMTS-4 was slightly inhibited by Rapamycin. Furthermore, Rapamycin present different effects on pro-inflammatory cytokines-stimulated activation of certain signaling pathways such as MAPKs (Mitogen activated protein kinases), AKT, and P70 S6 kinase. Moreover, Rapamycin partially inhibits TNF-α-induced activation of phosphorylation of ERK1/2 MAPK (extracellular signal-regulated protein kinase MAPK). Thus, Rapamycin inhibit IL-1β-induced activation of phosphorylation of the proteins p38 MAPK, JNK (c-Jun N-terminal kinase), and AKT. Also, Rapamycin inhibit IL-1β and TNF-α-activation of phosphorylation of the protein p70 S6 kinase. In other way, we have shown that the level of TIMP-3 has been increased in the presence of Rapamycin. Conclusion: These results suggest that Rapamycin down-regulates the expression of ADAMTS-4 by inhibiting the cytokine activation of MAPKs, AKT, and p70 S6 kinase. Thus Rapamycin could be considered as potential therapeutic agent for prevention of cartilage loss in patient with osteoarthritis.

Le chitosane est un polysaccharide naturel, généralement reconnu pour sa biocompatibilité et biodégradabilité. Sa notoriété se doit non seulement à la diversité de ses applications biomédicales, mais aussi à la disponibilité des groupes fonctionnels qui permettent la modification de ses caractéristiques physicochimiques. Dans le contexte de la thérapie génique, le chitosane est reconnu pour son potentiel en tant que nanovecteur, pour transporter du matériel génique à l’intérieur des cellules. Notre laboratoire a mis au point la synthèse d’un diéthylaminoéthyl-chitosane-polyéthylène glycol-acide folique (DEAE12-CH-PEG-FA2), qui a déjà démontré sa capacité de transfection in vitro sur plusieurs lignées cellulaires et son potentiel thérapeutique en tant que nanoparticule dans un modèle animal d’arthrite. Ces résultats prometteurs ont encouragé la suite de nos recherches. Ainsi, l’évaluation des propriétés cytotoxiques et hémotoxiques de notre chitosane modifié et de ses nanoparticules s’est avérée une étape essentielle pour continuer vers une potentielle application clinique. Étant donné les résultats contradictoires des rapports sur les caractéristiques hémocompatibles de ce polymère, en plus du manque de témoins d’interférence, de l’absence de données sur le niveau de contamination aux endotoxines des formulations et l’hétérogénéité des protocoles expérimentaux dans la littérature, nous avons employé les lignes directrices de l’ISO, l’ASTM et le NCL pour estimer son profil toxicologique. Dans cette étude, nous avons approfondi les connaissances sur l'hémocompatibilité des nanoparticules de DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA dans un cadre contrôlé et informatif. Cette évaluation a montré une faible réponse hémolytique et d’agrégation plaquettaire, et aucun effet sur le système du complément et sur le temps de coagulation du plasma. Également, la mesure du niveau de radicaux libres (ROS et NO) n’a pas décelé une réponse biologique reliée au stress oxydatif. Cependant, la viabilité cellulaire et le niveau de libération de la lactate déshydrogénase (LDH) ont révélé une relation en fonction de la concentration, du temps d’exposition et du type cellulaire étudié. Enfin, l’expression de cytokines telles que le TNF-α, l’IL-6, l’IL-4 et l’IL-10 ont été comparables à ceux du témoin négatif, le PBS. Dans cette quête de l’estimation des propriétés biocompatibles de notre chitosane, notre projet s’est dirigé vers l’étude des mécanismes moléculaires. C’est ainsi que nous avons étudié les voies de signalisation reliées aux récepteurs de surface cellulaire susceptibles de reconnaître le chitosane, notamment le récepteur toll-like 4 (TLR-4) et les récepteurs de lectine de type C (CLR). Nos données révèlent que les nanoparticules de DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA, à différentes concentrations et à différentes périodes d’incubation, n’activent pas les voies de signalisation des IKK/NF-κβ, MAPKs, AKT et SYK. Ces résultats ont été supportés par l’absence d’une réponse pro-inflammatoire mesurée à partir de l’expression de médiateurs clés comme le TNF-α, IL-1β, IL-6, COX-2 et iNOS. Au vu de nos découvertes, nous pouvons déduire le potentiel d’innocuité de notre chitosane modifié (DEAE12-CH-PEG-FA2), indispensable pour son application dans la thérapie génique. Également, nous suggérerons la possibilité que des récepteurs cellulaires qui n’ont pas encore été identifiés soient impliqués dans la reconnaissance et l’internalisation du chitosane, ce qui mérite la réalisation d’études plus approfondies. / Chitosan is a natural polysaccharide, generally known for its biocompatibility and biodegradability. Its notoriety is due not only to the diversity of its biomedical applications but also to the presence of functional groups in its chain, which allow the modification of its physiochemical properties. In gene therapy applications, chitosan is known for its potential as a nanovector to transport genetic material to cells. Our laboratory has synthesized a modified-chitosan diethylaminoethyl-chitosan-polyethylene glycol-folic acid (DEAE12-CH-PEG-FA2), which has already shown in vitro transfection efficiency in several cell lines and a therapeutic potential as a nanoparticle in an animal arthritis model. These promising results encouraged further research. Thus, the evaluation of the cytotoxic and hemotoxic properties of our modified chitosan and its nanoparticles became an essential step to continue towards potential clinical applications. Given the existing contradictory outcomes about the hemocompatible characteristics of this polymer, as well as the lack of interference controls, the absence of data on endotoxin levels in nanoformulations and the diversity of the experimental protocols, we used ISO, ASTM and NCL’s guidelines to estimate its toxicological profile. In this study, we discovered new information about DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA nanoparticle hemocompatibility, in a controlled and informative framework. This evaluation showed low hemolytic properties, low platelet aggregation capacity with no effect on the complement and coagulation systems. Moreover, detection of free radical levels (ROS and NO) did not show a biological response related to oxidative stress. Nevertheless, cell viability and the levels of lactate dehydrogenase (LDH) release revealed concentration-, incubation time- and cell-dependent outcomes. Regarding cytokine expression, TNF-α, IL-6, IL-4 and IL-10 levels were equivalent to those of the negative control, PBS. In the quest to evaluate the biocompatible properties of chitosan, our project focused on the study of its molecular mechanisms. Therefore, we studied signaling pathways related to receptors that have been associated to chitosan recognition such as toll-like receptor 4 (TLR-4) and C-type lectin receptors (CLRs). Our data revealed that DEAE12-CH-PEG-FA2/siRNA nanoparticles, at the studied concentrations and time courses, did not activate the IKK/NF-κB, MAPKs, AKT nor SYK signaling pathways. These results were supported by the absence of an inflammatory response measured by the expression of key mediators such as TNF-α, IL-1β, IL-6, COX-2 and iNOS. In view of our findings, we deduced the safety potential of our modified chitosan (DEAE12-CH-PEG-FA2) which is mandatory for gene therapy applications. Moreover, we suggest the involvement of unidentified cellular receptors in the recognition and uptake of chitosan which warrant further investigation.

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11. / Cell to cell communication is paramount during plant developmental processes, from cellular identity in early organogenesis to pollen tube guidance. In response to this requirement, molecular cell signalling is used to perceive an external signal and transduce the response by an intracellular signalling cascade leading to specific gene activation. The sensing protein is typically a receptor kinase, which will transduce the stimulus by phosphorylation of a cytoplasmic interaction partner. Although plant receptor kinases represent the largest protein kinase family, only handfuls are well characterized. By sequence identity (orthology), a family of leucine-rich repeat receptor kinases from Arabidopsis thaliana was identified as AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11). Based upon previous results from its ortholog in Solanum chacoense, the ovary- specific ScORK11 receptor kinase, we hypothesized that members of the AtORK11 receptors would be involved in gametophyte development and reproduction. In order to characterize the role of the four family members (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c and AtORK11d), a T-DNA insertional mutant strategy was undertaken, as well as bimolecular fluorescence complementation assays (BiFC). No precise function could be assigned to the double mutants although a dominant negative strategy revealed an involvement in gametophytic development. It was also shown that all of the receptors could form homodimers as well as heterodimers in a heterologous system, suggesting high functional redundancy for the AtORK11 family.

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11. / Cell to cell communication is paramount during plant developmental processes, from cellular identity in early organogenesis to pollen tube guidance. In response to this requirement, molecular cell signalling is used to perceive an external signal and transduce the response by an intracellular signalling cascade leading to specific gene activation. The sensing protein is typically a receptor kinase, which will transduce the stimulus by phosphorylation of a cytoplasmic interaction partner. Although plant receptor kinases represent the largest protein kinase family, only handfuls are well characterized. By sequence identity (orthology), a family of leucine-rich repeat receptor kinases from Arabidopsis thaliana was identified as AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11). Based upon previous results from its ortholog in Solanum chacoense, the ovary- specific ScORK11 receptor kinase, we hypothesized that members of the AtORK11 receptors would be involved in gametophyte development and reproduction. In order to characterize the role of the four family members (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c and AtORK11d), a T-DNA insertional mutant strategy was undertaken, as well as bimolecular fluorescence complementation assays (BiFC). No precise function could be assigned to the double mutants although a dominant negative strategy revealed an involvement in gametophytic development. It was also shown that all of the receptors could form homodimers as well as heterodimers in a heterologous system, suggesting high functional redundancy for the AtORK11 family.